什么是半导体？

半导体是这两年国家重点发展的行业，到底什么是半导体？

生活中所有的物体按照导电性大致可分为三类：导体、半导体、绝缘体。

这个很好理解，物体要么导电，要么不导电，要么有一点点导电，正是这种半推半就、不清不楚的物质给物理学家不同的发挥空间。

太绝对的导电和不导电的物质没什么意思，而在不同情况下导电性发生变化的东西才是有意思的。

来张图直观看看物体的导电性：

按照导电性便分为：

绝缘体: 电导率很低，约介于20－18S/cm 10－8S/cm,如熔融石英及玻璃；

导 体 ：电导率较高，介于104S/cm 106S/cm，如铝、银等金属。

半导体： 电导率则介于绝缘体及导体之间。

自然界中常见的元素半导体有硅、锗，据说锗基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用，但是硅的天然优势就是便宜！自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素，你说有多多！

即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的杂质太多，缺陷也太多，不能直接拿来用，需要对它进行提炼。

怎么提炼？一个字——烧！

正如初中化学所学的，进行氧化还原反应。

①SiC + SiO2 Si(固体)+ SiO2(气体)+ CO(气体)

②Si(固体)+ 3HC SiHCl3(气体)+ H2(气体)

③SiHCl3(气体)+ H2(气体) Si(固体)+ 3HCl(气体)

经过三次高温化学反应后，我们得到了固体硅，但这时候的硅是多晶硅。

啥是多晶硅？

如同我们剥橘子的时候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一样（晶体方向），我们要选味道最好的一瓣橘子，选出来让这瓣橘子单独长大！

怎么让一个小的单晶单独长大呢？

物理学家还是很聪明的，发明了一种长单晶的办法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以这名科学家名字命名的。

行业也有一种直观的称呼，叫提拉法!

因为在长单晶时就是把小的晶体往上拔！拔的时候速度有点慢，来看看这个装置：

图中的这个蓝色的圆棒就是单晶硅，在提拉的时候一边旋转一边往上拔，提拉法长出来的晶锭就是圆柱体了。

再将长好的晶锭采用机械刀片进行切割，切成一片一片的圆盘状，便成了晶圆。

有没有很眼熟？

晶圆就是这样被生产出来了。

虽然我们得到了晶圆，此时的单晶硅电化学性能还不行，不能直接用来做芯片，工程师们于是想办法改造单晶硅的电化学性能。

如何改造单晶硅呢？

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外层有4个电子，分别与周围4个原子共用4对电子，这种共用电子对的结构称为 共价键 (covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。

这部分知识初中化学学过，来张图片直观看看：

左边这张图是单晶硅的晶体结构，为金刚石晶体结构。右边这张图是硅原子共用电子的情况，中间一个硅原子和四个硅兄弟共用电子。

突然有一天，有个物理学家想到一个问题，要是硅家不是和硅兄弟共用电子，把其他兄弟拉进群会怎样？

物理学家有一天把砷兄拉进了群，于是奇迹发生了：

砷兄弟最外层有5个电子，其中4个电子找到了硅家的对象，另外一个电子单着了，这个电子成了无业游民，到处流窜，由于电子带有电荷，于是改变了硅家的导电性。

此时的砷原子多提供了一个电子给硅家，因此砷原子被称为施主。

硅家的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成n型半导体。

为啥叫N型？在英文里Negative代表负，取这个单词的第一个字母，就是N。

同样，物理学家想，既然可以拉电子多的砷元素进群，那么是否也可以拉电子少的硼原子进群？于是物理学家把硼原子拉进来试试。

由于硼原子最外层只有3个电子，比硅少一个，于是本来2对电子的共价键现在成了只有一对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴(hole)。

此时的硅基半导体被称为p型半导体，同样P来自英文单词Positive(正极)的首字母，而硼原子则被称为受主。

正是在硅单晶中加入的原子不同，便形成了N型半导体和P型半导体。

当我们有了单晶硅，并且可以想办法将单晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作为许多器件结构的绝缘体，或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。

如在 p‒n 结的制造过程中，二氧化硅薄膜可用来定义结的区域。

来张示意图看看，(a)显示无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧化步骤，图(b)只显示被氧化晶片的上表层。

有了P型和N型半导体的理论知识，还可以玩点复杂的，对二氧化硅表面进行改造，改造成我们想要的图形，比如画只猫，画朵花等…

对晶圆表面进行改造的办法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻机？听说这种设备很牛逼….不如先看看光刻的原理：

利用高速旋涂设备(spinner)，在晶片表面旋涂一层对紫外(UV)光敏感的材料，称为光刻胶(photoresist)。将晶片从旋涂机拿下之后在80ºC 100ºC之间烘烤，以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加强光刻胶与晶片的附着力。接下来使用UV光源，通过一有图案的掩模版对晶片进行曝光。然后，使用缓冲氢氟酸作酸刻蚀液来移除没有被光刻胶保护的二氧化硅表面。最后，使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥离(stripped)光刻胶。

看看示意图：

文字说的有点复杂，直观理解有点像刻印章，先在石头上用颜料涂个模型，然后按照模型的尺寸进行雕刻，基本是这个道理。

印章有阳刻和阴刻的区别，晶圆也是这样，根据光刻胶的选取不同，也能实现阳刻和阴刻，人们选用的光刻胶称为正胶和负胶。

光刻后的硅表面暴露于外界中，此时物理学家在这个硅表面通过不同方法加入其它元素，称为离子注入。

因为注入B或者As离子以后，这些离子加入到硅家以后改变了硅家的传统，硅的电化学性能发生了改变，此时的半导体叫做非本征(extrinsic)半导体。

而由P型半导体和N型半导体接触形成的结称为p-n结！

我们在掺杂完成以后，需要想办法将这个半导体的性能引出，于是将这个半导体表面金属化，欧姆接触(ohmic contact)和连线(interconnect)在接着的金属化步骤完成，金属薄膜可以用PVD或CVD来形成。

随着金属化的完成， p‒n 结就可以工作了！

简单的半导体知识就介绍这么多吧！

（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗（Ge），温度每升高10度，其电阻率就会减少到原来的一半。

（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。例如，常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管，它通过电流时能够发光，把电能直接转成光能。目前已制作出发黄，绿，红，蓝几色的发光二极管，以及发出不可见光红外线的发光二极管。

另一种常见的光电转换器件是硅光电池，它可以把光能直接转换成电能，是一种方便的而清洁的能源。

（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高，但掺入极微量的“杂质”元素后，其导电能力会发生极为显著的变化。例如，纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米，若掺入百万分之一的硼元素，电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此，人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素，精确控制它的导电能力，用以制作各种各样的半导体器件

半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。

1． 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。

2． 当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

3． 当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。

由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后，明确一个基本概验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”。

P性半导体和N型半导体----前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。例如，在纯净的半导体锗中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质铟，就形成P型半导体。

一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。

图1

在P型半导体的N型半导体相结合的地方，就会形成一个特殊的薄层，这个特殊的薄层就叫“PN结”。晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）。

例如，收音机中应用的晶体二极管，其触丝（即触针）部分相当于P型半导体，N型锗片就是N型半导体，他们之间的接触面就是PN结。P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称正极）。N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）。

如果像图2那样，把正端连接电池的正极，把负端接电池的负极，这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了。因此，通过PN结的电流（I=U/R）就很大。这样的连接方法（图2a）叫“正向连接”。正向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”，在正向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“正向电流”。很明显，因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆），在一定正向电压下，正向电流（I=U/R）就会很大----这表明在正向电压下，二极管（或PN结）具有像导体一样的导电本领。

图2a 图2b

反过来，如果把P端接到电池的负极，N端接到电池的正极（见图2b）。这时PN结的电阻很大（大到几百千殴），电流（I=U/R）几乎不能通过二极管，或者说通过的电流很微弱。这样的连接方法叫“反向连接”。反向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向电压”；处在反向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”，在反向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”。显然，因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千欧姆），在一定的反向电压下，正向电流（I=U/R）就会很小，甚至可以忽略不计，----这表明在一定的反向电压下，二极管（或PN结）几乎不导电。

上叙实验说明这样一个结论：晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性。

晶体二极管用字母“D”代表，在电路中常用图3的符号表示，即表示电流（正电荷）只能顺着箭头方向流动，而不能逆着箭头方向流动。图3是常用的晶体二极管的外形及符号。

图3

利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等。

PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极间电容”（如图4所示）。由于电容抗随频率的增高而减小。所以，PN结工作于高频时，高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时，极间电容对直流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大，极间电容量越大，影响也约大，这就是面接触型二极管（如整流二极管）和低频三极管不能用于高频工作的原因

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